ПШЕНИЦА-СУПЕРГЕРОЙ
КАК ГЛАВНЫЙ ЗЛАК ГОТОВЯТ К ИЗМЕНЕНИЯМ КЛИМАТА
Потепление климата не способствует хорошим урожаям. Оно приносит с собой экстремальные погодные явления, в том числе засухи и резкие перепады температуры, создает условия для размножения вредоносных бактерий.

Однако засушливые годы, весенние заморозки и даже снег посреди лета — не сюрприз для России, где большая часть территории находится в зоне рискованного земледелия. Проблемы, которые приходят во многие страны сейчас, у нас были известны с давних пор. Поэтому можно предположить, что отечественные селекционеры исторически создают растения «закаленные», устойчивые к перечисленным выше неблагоприятным факторам.

Так ли это? Попробуем выяснить на примере одного из главных сельскохозяйственных злаков — пшеницы. В нашей стране в 2019 году она занимала территорию в 28,1 миллиона гектаров, а это больше трети всех посевных площадей.

Готовят ли сегодня пшеницу к сложным условиям и есть ли у России преимущество в этой области, мы узнали у специалистов ведущих научных институтов и селекционных центров.

Елена Артёмовна
Салина
доктор биологических наук
ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН», Новосибирск
Людмила Андреевна
Беспалова
академик
Национальный центр зерна им. П. П. Лукьяненко, Краснодар
Владимир Петрович
Шаманин
доктор сельскохозяйственных наук
Омский государственный аграрный университет, Омск
Иван Евгеньевич
Лихенко
доктор сельскохозяйственных наук
Сибирский НИИ растениеводства и селекции, Новосибирск
Галина Васильевна
Артёмова
кандидат биологических наук
Сибирский НИИ растениеводства и селекции, Новосибирск
Марат Нуриевич
Исламов
генеральный директор
Научно-производственный агрохолдинг «Кургансемена», Курган

В ЛЮБЫХ УСЛОВИЯХ

«В меняющемся климате в первую очередь нужны пластичные сорта, способные дать хороший урожай, невзирая на условия окружающей среды. Чтобы получить такие растения, мы скрещиваем яровые, которые сажают весной, с озимыми, высеваемыми осенью, а затем в следующих поколениях отбираем яровое потомство с лучшими показателями», — рассказывает главный научный сотрудник ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН», заведующая отделением «Курчатовский геномный центр ФИЦ ИЦиГ СО РАН» доктор биологических наук Елена Артёмовна Салина.

Когда ученые считают полученную линию перспективной в плане пластичности, они отправляют ее на экологические испытания, то есть выращивают сразу в нескольких климатических зонах. «Если урожайность в разных регионах не падает, значит, растению также не страшны изменения климата, происходящие на одной территории. Мы провели испытания в Новосибирске, Омске, Казани, и некоторые образцы везде показали пластичность выше среднего», — отмечает генетик.

В устойчивых сортах, способных адаптироваться к сложным климатическим условиям, заинтересованы и коммерческие предприятия, например Научно-производственный агрохолдинг «Кургансемена», который уже пятый год сотрудничает с ФИЦ ИЦиГ СО РАН. «Изначально у нас была задача получить линии яровой пшеницы с большой степенью пластичности, а также устойчивые к особо вредоносным заболеваниям и с высоким качеством зерна. Сейчас линии проходят полевые испытания на опытном участке агрокомплекса. Положительных результатов ожидаем в течение трех-четырех лет», — комментирует генеральный директор предприятия Марат Нуриевич Исламов.

Пластичная пшеница известна давно, но теперь эти и другие методы получения новых сортов совершенствуются благодаря современным технологиям, в частности маркер-ориентированной селекции. Она начинается с поисков у растения гена, отвечающего за нужный признак. Затем к нему подбирают молекулярный маркер, которым выступает определенный фрагмент ДНК. Маркированную линию растений скрещивают с теми сортами, на которые хотят перенести желанное свойство, и отслеживают, передается ли оно новым поколениям. Этот подход сокращает сроки селекции: не нужно ждать, пока растение вырастет, даст потомство, пока проявится или не проявится искомая характеристика — всё это видно в лаборатории. Однако таким способом можно отследить признаки, за которые отвечает только один ген, например устойчивость к конкретному заболеванию.

«Пластичность организма определяется множеством генетических факторов, поэтому в данном случае выявить один доминантный ген и подобрать к нему маркер нельзя. Тем не менее маркер-ориентированную селекцию мы применяем и здесь: с помощью маркеров можно сразу отобрать стабильно яровые растения в потомстве от скрещивания яровых и озимых. Это существенно ускоряет селекционный процесс», — рассказывает Елена Салина.
Скорость в селекции сегодня особенно необходима, ведь сорта надо получать, вовремя реагируя на множество переменных, таких как изменение климатических условий и запросы рынка. При этом классическая селекция — процесс неспешный: от начала работ до получения сорта проходит порядка 15 лет. «Сначала подбираются растения-родители, обладающие нужными свойствами. От них получают гибриды, причем новые признаки явно проявляются у них лишь к четвертому-пятому поколению. Затем растения переходят в селекционный питомник, где еще несколько лет происходит отбор лучших из лучших. Потом материал сравнивают с сортом, в данный момент считающимся стандартом. Если линия превосходит стандарт по урожайности, она отправляется на испытания, в результате которых может попасть в Государственный реестр селекционных достижений, то есть официально стать сортом. Современные методы позволяют ускориться на первом этапе, когда благодаря маркерам отбор нужных растений идет быстрее, и сэкономить пять-шесть лет», — рассказывает заместитель директора по научной работе Сибирского НИИ растениеводства и селекции — филиала ФИЦ ИЦиГ СО РАН кандидат биологических наук Галина Васильевна Артёмова.
Повышенной пластичностью обладают и сорта пшеницы, относящиеся к группе двуручек, которые можно использовать как озимые и как яровые, то есть сеять и осенью, и весной. Их уже много лет выводят в Национальном центре зерна им. П. П. Лукьяненко в Краснодаре, и теперь в связи с неустойчивым климатом это направление приобретает особенную актуальность.

«Сибирь выращивает преимущественно яровую пшеницу, а Северный Кавказ — зона озимосеющая. При этом последние годы в Краснодаре осень и зима нередко бывают значительно теплее средних значений, а поздней весной, наоборот, возвращаются морозы, и посевы подмерзают. В этом случае как страховка выступают двуручки: их можно сеять и осенью, и весной, и даже в зимние “окна”. Весной с их помощью можно “подремонтировать” поле, если поздние посевы вышли из зимы немного потрепанными, или даже засеять его заново. Использовать яровые сорта в наших краях нерационально: у них все-таки ниже урожайность, а возврат морозов после тепла, когда пшеница уже близка к колошению, случается нерегулярно», — рассказывает заведующая отделом селекции и семеноводства пшеницы и тритикале НЦЗ им. П. П. Лукьяненко академик Людмила Андреевна Беспалова.

В Национальном центре зерна при создании двуручек наряду с традиционными методами селекции широко используют молекулярное маркирование — с его помощью отбирают генотипы с нужным сочетанием аллелей генов, ответственных за продолжительность яровизации и чувствительность к световому дню. Дело в том, что озимые могут перейти в репродуктивную фазу развития (зацвести и дать семена) только в том случае, если какое-то время они будут расти при низких положительных температурах, то есть пройдут яровизацию. У яровых сортов, высеваемых весной, период яровизации очень короткий, а у озимых варьирует от 30 до 60 суток. Двуручки же представляют собой среднее между яровыми и озимыми: период яровизации, который им нужен для того, чтобы принести урожай, составляет 10—15 суток.

«Яровизация необходима для приспособления растения к разным климатическим условиям. Я не исключаю, что в будущем будут выведены и двуручки, и озимые сорта, которые смогут успешно расти даже на территории Сибири», — говорит Людмила Андреевна Беспалова.


В Национальном центре зерна им.П.П.Лукьяненко

УСПЕТЬ ДО МОРОЗОВ

Еще одно свойство, которое может пригодиться пшенице в условиях непредсказуемого климата, — раннеспелость. Если лето запаздывает, а осенью рано приходят заморозки, хлеб должен созревать быстро. При этом, по словам Марата Исламова, ниша таких сортов в России «наполовину пуста». «В линейке, представленной на рынке, нехватка раннеспелой группы. Сорта есть, но ассортимент должен быть шире, должен быть выбор. Поэтому наша совместная работа с ФИЦ ИЦиГ СО РАН направлена в том числе на получение сортов с коротким вегетационным периодом», — говорит директор агрохолдинга «Кургансемена».

На создании таких сортов специализируется Сибирский НИИ растениеводства и селекции. Обычно раннеспелая пшеница дает более скромный урожай по сравнению с сортами, формирование и созревание которых проходит длительное время, иногда до конца сентября. Однако, по словам руководителя СибНИИРС доктора сельскохозяйственных наук Ивана Евгеньевича Лихенко, сибирские ученые смогли во многом преодолеть этот недостаток. «Последняя наша новинка “новосибирская 16” созревает быстрее, чем ранее созданные сорта, и при этом дает больший урожай. Кроме того, она отличается повышенным качеством зерна даже относительно известных высококачественных сортов. Пока еще с генетикой этого явления мы до конца не разобрались, но, видимо, сорт получил от родителей дополнительные гены, влияющие на продолжительность вегетационного периода», — рассказывает биолог.

По мнению ученого, вполне вероятно, что в условиях меняющегося климата вырастет потребность в ранней и среднеранней (которая вызревает примерно на 5—10 дней позже) пшенице. «Эти сорта интересны не только в прохладные годы, но и в засушливые. При раннем посеве, если даже будет совсем мало осадков, растение эффективно использует ту влагу, которая есть в почве, и успевает сформировать экономически значимый урожай качественного зерна», — отмечает Иван Лихенко.

«В ФИЦ ИЦиГ СО РАН получено несколько патентов на технологию создания раннеспелых линий. С помощью маркер-ориентированной селекции мы сегодня можем регулировать сроки колошения, создавать растения с более ранним или продолжительным периодом созревания, манипулировать этим признаком так, как нам удобно», — отмечает Елена Салина.
ФИЦ ИЦиГ СО РАН вошел в состав недавно созданного Курчатовского геномного центра. В рамках Центра он в том числе будет развивать программы селекции сельскохозяйственных растений с помощью маркеров, обучать современным технологиям российские селекционные компании и научные организации.
В Сибирском НИИ растениеводства и селекции

СВЕЖАЯ КРОВЬ

Новые болезни, поражающие посевы, также могут стать существенной неприятностью, которую принесут климатические изменения. Зимы становятся теплее, и южные инфекции передвигаются в новые регионы, где чувствуют себя вполне комфортно. В частности, так в Западную Сибирь пришла и закрепилась стеблевая ржавчина.

«Это одно из самых агрессивных заболеваний, которое может привести к потере всего урожая: оно поражает лист, стебель, потом колос. Раньше стеблевая ржавчина в основном заносилась с юга, а в последние годы она спокойно зимует на нашей территории. Также появился септориоз. В результате посевы обрабатывают фунгицидами по два-три раза за сезон. Это повышает себестоимость зерна минимум на 10 долларов с гектара, а кроме того, ухудшает экологическую обстановку», — рассказывает профессор Омского государственного аграрного университета доктор сельскохозяйственных наук Владимир Петрович Шаманин.

Пытаясь вывести пшеницу, устойчивую к заболеваниям, селекционеры сталкиваются с двумя препятствиями. Во-первых, расы грибных болезней мутируют и рано или поздно начинают поражать даже те сорта, которые не были к ним чувствительны. Во-вторых, у мягкой пшеницы практически не осталось генов, эффективных против новых болезней: устойчивость данного вида почти исчерпана. «Геном пшеницы очень большой и сложный, однако существенного разнообразия между сортами практически нет», — говорит Шаманин.

В поисках свежих генов ученые обратили внимание на дикие злаки, родственные пшенице, в частности эгилопсы. Их генофонд гораздо богаче, чем у культурной родственницы. Эгилопсы лучше приспособлены к неблагоприятным условиям, у них выше сопротивляемость болезням. Сегодня уже существуют искусственно созданные пшеницы-синтетики с генами от эгилопсов. На их основе ОмГАУ совместно с Международным центром улучшения кукурузы и пшеницы (CYMMIT) создает новые сорта.

«Для получения синтетиков в основном использовались эгилопсы из Прикаспийского региона, где большое их разнообразие. Климат там существенно отличается от сибирского, поэтому материал не подходит нам на сто процентов, и мы используем его как мостик для создания своих сортов, — рассказывает Владимир Шаманин. — В университете уже получили новые линии пшеницы, которые несут в своей родословной генетический материал синтетиков. Некоторые из них переданы на государственные сортоиспытания, они хорошо приспособлены специально для наших территорий. Это сорта, устойчивые к бурой и стеблевой ржавчине, септориозу, с хорошей урожайностью и высоким качеством (в частности, “касибовская”, “силантий”). В те годы, когда заболеваемость растет, они без химической обработки дают урожай в два раза выше по сравнению с другими».

Дикие сородичи помогают пшенице справляться и с другой климатической проблемой — засухами. Корневая система у эгилопсов разветвленная и мощная (в полтора раза больше, чем у пшеницы), она способна забирать влагу и питательные вещества из глубоких слоев почвы. За устойчивость к засухе отвечает множество генов, и их сложно отследить с помощью молекулярных маркеров, связанных лишь с моногенными признаками. Поэтому ученые используют геномную селекцию, то есть проводят скрининг всего генома растений на достаточно большой коллекции линий. Для таких манипуляций нужны высокопроизводительные приборы, которые позволяют одновременно исследовать множество образцов. «В России пока что такого оборудования нет. Материал на генотипирование мы посылаем в Англию, в этом году отправили около 500 линий. В итоге, используя метод полногеномного анализа, нам удалось выявить ряд генов, связанных с засухоустойчивостью», — говорит Шаманин.

Обучить российских селекционеров современным технологиям, а также предоставить им материал для работы предлагает и международный концерн Bayer. В 2018 году компания купила контрольный пакет одного из крупнейших производителей семян Monsanto, и в рамках антимонопольной политики организует передачу молекулярных средств селекции (маркеров и семян донорских линий), в том числе пшеницы. Для этого в Высшей школе экономики был создан Центр технологического трансфера.
Омские селекционеры не только стремятся передать пшенице выгодные свойства диких злаков, они также работают над выведением культурных дикоросов. Вместе с коллегами из США омичи создали сорт пырея «сова» — альтернативу многолетней пшенице. В 2020 году сорт включили в Госреестр селекционных достижений и рекомендовали для возделывания во всех регионах РФ. Масса зерна у него меньше, зато посеяв многолетник один раз, можно семь лет убирать урожай с одного и того же поля, он засухоустойчив, не поражается болезнями и содержит повышенное количество микроэлементов, пищевых волокон и пониженное — глютена. Сейчас «сова» растет исключительно в Омской области, однако, по словам Владимира Шаманина, семенами «культурного сорняка» уже заинтересовались в Алтайском крае, Тюменской области, Ставрополье, Краснодаре и во многих других регионах России, а также в Казахстане, Узбекистане, Азербайджане.
На опытных полях СибНИИРС

ГОД УРОЖАЕМ КРАСЕН

И всё же главной целью селекционеров остается повышение урожайности пшеницы. «В последние годы всё больше внимания уделяют качеству зерна, его биологической ценности, однако высокие урожаи — на первом месте, это главный мировой тренд», — считает Владимир Шаманин.

«Население Земли растет. По прогнозам ООН, к 2050 году нас будет девять миллиардов: всех надо накормить, и, безусловно, высокая урожайность является главным достоинством сорта, благодаря которому его могут допустить к использованию в производстве. При этом она должна быть стабильной, для чего как раз нужны такие свойства, как устойчивость к болезням и климатическим изменениям», — объясняет Людмила Беспалова. При этом академик отмечает, что те сорта пшеницы, которые дают максимальный урожай, проигрывают среднеурожайным по качеству зерна, и задача селекционеров — предоставить производителям разные варианты, чтобы они могли выбирать в зависимости от существующих в настоящее время потребностей и запросов рынка.

Однако, по мнению ученых, сорта, приспособленные к климатическим изменениям, в России есть, и будут появляться новые. В первую очередь этому способствует то, что отечественная селекция исторически ориентировалась на создание растений для зоны рискованного земледелия. Кроме того, в нашей стране постепенно распространяются новые технологии, которые помогают быстрее создавать сорта, реагируя на запросы времени, в том числе и на необходимость адаптации к новым погодным условиям. «В последние три года государство стало обращать внимание на развитие современных технологий в сельском хозяйстве. Сейчас создаются молодежные лаборатории при селекционных центрах, есть программы финансовой поддержки. А главное, у селекционеров, наконец, начал появляться интерес к геномным и маркер-ориентированным технологиям, приходит понимание, что без этого не обойтись», — говорит Елена Салина.
Александра Федосеева
Фото автора и предоставлены исследователями
This site was made on Tilda — a website builder that helps to create a website without any code
Create a website